Des physiciens imagent pour la première fois les fluctuations quantiques du vide

Dans deux avancées explorant la nature quantique du vide, des physiciens ont pour la première fois imagé directement les fluctuations d'un champ quantique dans son état fondamental, tandis qu'une autre équipe a rapporté la preuve astrophysique la plus solide à ce jour de la biréfringence du vide, une prédiction vieille de près de 90 ans selon laquelle l'espace vide peut altérer la propagation de la lumière.

Imager l'invisible

Une équipe dirigée par Yansheng Zhang à l'Université de Cambridge a utilisé un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel d'atomes de potassium-39 pour construire un champ quantique photographiable. Les chercheurs ont encodé leur champ cible dans les états de spin des atomes ultrafroids, puis ont amplifié la minuscule agitation de l'état fondamental prédite par le principe d'incertitude d'Heisenberg jusqu'à la rendre mesurable.sciencealert

La technique exploite le fait qu'un véritable oscillateur quantique dans son état fondamental n'est jamais parfaitement immobile. En modifiant soudainement la force de couplage entre deux états atomiques internes, l'équipe a provoqué l'évolution des fluctuations du vide préexistantes en oscillations observables. Ils ont ensuite vérifié l'origine quantique du signal en montrant que son spectre de fréquences correspondait aux prédictions des fluctuations du vide plutôt qu'au bruit thermique.sciencealert

Le système peut être réglé pour se comporter comme un champ de sine-Gordon relativiste, offrant potentiellement aux chercheurs une plateforme de laboratoire pour étudier des phénomènes tels que la désintégration du faux vide et la formation de défauts topologiques, des processus dont les mathématiques restent insolubles par les méthodes conventionnelles. La recherche, publiée en prépublication sur arXiv, n'a pas encore fait l'objet d'une évaluation par les pairs.arxiv+1

Un magnétar confirme la prédiction d'Heisenberg

Par ailleurs, une étude publiée dans Nature a rapporté ce qui pourrait être la première preuve astrophysique directe de la biréfringence du vide. Dirigée par Rachael E. Stewart de l'Université George Washington, l'équipe a observé le magnétar 1E 1547.0-5408 à l'aide de l'Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) de la NASA, du télescope NICER à bord de la Station spatiale internationale et du radiotélescope Murriyang du CSIRO.sciencedaily+2

Les rayons X du magnétar ont montré un degré de polarisation inhabituellement élevé aligné avec son champ magnétique, une signature cohérente avec des particules virtuelles dans le vide agissant comme un filtre polarisant dans les conditions magnétiques extrêmes de l'étoile. "La seule façon d'obtenir cela [un signal de polarisation aussi élevé] pour ce magnétar est par ce filtrage de polarisation du vide en cours de route", a déclaré Michela Negro, astrophysicienne à l'Université d'État de Louisiane impliquée dans l'étude.lsu+1

Et maintenant ?

Les deux résultats pointent vers un avenir où le vide quantique devient directement accessible à l'expérimentation plutôt que déduit de conséquences indirectes. L'équipe du magnétar a noté que des observations et simulations supplémentaires sont nécessaires pour exclure des explications alternatives, tandis que le groupe de Cambridge a déclaré que leur plateforme pourrait offrir "une fenêtre unique sur les mécanismes microscopiques" régissant les phénomènes de champs quantiques qui n'existaient jusqu'à présent que dans la théorie.sciencedaily+1